Gli astronomi realizzano il loro sogno e la crisi cosmica peggiora
Non sappiamo perché l'universo sembra espandersi più velocemente di quanto dovrebbe. Nuove misurazioni della distanza ultra precise hanno solo aggravato il problema
Dal 3 dicembre l’umanità ha, a portata di mano, informazioni che le persone desideravano, beh, da sempre: le distanze precise delle stelle.
“Digiti il nome di una stella o la sua posizione e in meno di un secondo avrai la risposta” , ha detto la scorsa settimana Barry Madore, cosmologo dell’Università di Chicago e del Carnegie Observatories, in una chiamata Zoom.
“Stiamo bevendo da una pompa antincendio in questo momento“, ha detto Wendy Freedman, anche lei cosmologa a Chicago e al Carnegie e moglie e collaboratrice di Madore.
“Non posso spiegare quanto sono eccitato“, ha dichiarato Adam Riess della Johns Hopkins University, che ha vinto il Premio Nobel 2011 per la fisica per aver scoperto l’energia oscura.
I dati provengono dalla sonda spaziale Gaia dell’Agenzia spaziale europea, che ha trascorso gli ultimi sei anni a osservare le stelle. Il telescopio ha misurato le “parallassi” di 1,3 miliardi di stelle – piccoli spostamenti nelle posizioni apparenti delle stelle nel cielo che rivelano le loro distanze. “Le parallassi Gaia sono di gran lunga le determinazioni di distanza più accurate e precise mai viste“, ha detto Jo Bovy, astrofisico dell’Università di Toronto.
Soprattutto per i cosmologi, il nuovo catalogo di Gaia include le stelle speciali le cui distanze servono come parametri per misurare tutte le distanze cosmologiche più lontane. Per questo motivo, i nuovi dati hanno rapidamente acuito il più grande enigma della cosmologia moderna: l’espansione inaspettatamente rapida dell’universo, nota come tensione di Hubble.
Il problema è questo: gli ingredienti conosciuti del cosmo e le equazioni che lo governano prevedono che dovrebbe attualmente espandersi a una velocità di 67 chilometri al secondo per megaparsec, il che significa che dovremmo vedere le galassie allontanarsi da noi a 67 chilometri al secondo più velocemente per ogni megaparsec di distanza aggiuntivo. Eppure le misurazioni effettive superano costantemente il limite. Le galassie si stanno allontanando troppo rapidamente. La discrepanza suggerisce in modo entusiasmante che qualche agente sconosciuto potrebbe essere in azione a nostra insaputa.
Questo lavoro comporta la riduzione delle possibili fonti di errore nelle misurazioni del tasso di espansione cosmica. Una delle maggiori fonti di tale incertezza sono state le distanze dalle stelle vicine, distanze che i nuovi dati di parallasse sembrano definire una volta per tutte.
In un articolo pubblicato online la scorsa notte e inviato a The Astrophysical Jou rnal, il team di Riess ha utilizzato i nuovi dati per fissare il tasso di espansione a 73,2 chilometri al secondo per megaparsec, in linea con il loro valore precedente, ma ora con un margine di errore di appena 1,8%. Ciò apparentemente cementa la discrepanza con il tasso previsto molto più basso di 67.
Freedman e Madore prevedono di pubblicare la nuova e migliorata misurazione del tasso di espansione cosmica effettuata dal loro gruppo entro gennaio. Anche loro si aspettano che i nuovi dati consolidino, piuttosto che spostare, la loro misurazione, che è leggermente più bassa di quella di Riess e di quelli di altri gruppi, ma comunque superiore alla previsione.
Da quando Gaia è stato lanciato nel dicembre 2013, ha rilasciato altri due enormi set di dati che hanno rivoluzionato la nostra comprensione del nostro vicinato cosmico. Eppure le precedenti misurazioni della parallasse di Gaia furono una delusione.
Un problema imprevisto
Se le parallassi fossero più facili da misurare, la rivoluzione copernicana potrebbe essere avvenuta prima.
Copernico propose nel XVI secolo che la Terra ruotasse attorno al sole. Ma anche all’epoca gli astronomi conoscevano la parallasse. Se la Terra si muoveva, come sosteneva Copernico, si aspettavano di vedere le stelle vicine spostarsi nel cielo mentre lo faceva, proprio come un lampione sembra spostarsi rispetto alle colline sullo sfondo mentre attraversi la strada. L’astronomo Tycho Brahe non rilevò alcuna parallasse stellare di questo tipo e quindi concluse che la Terra non si muove.
Eppure lo fa, e le stelle cambiano, anche se a malapena, perché sono così lontane.
Ci volle fino al 1838 perché un astronomo tedesco di nome Friedrich Bessel rilevasse la parallasse stellare. Misurando lo spostamento angolare del sistema stellare 61 Cygni rispetto alle stelle circostanti, Bessel concluse che si trovava a 10,3 anni luce di distanza. La sua misurazione differiva dal valore reale solo del 10%: le nuove misurazioni di Gaia collocano le due stelle nel sistema a 11,4030 e 11,4026 anni luce di distanza, dando o prendendo uno o due millesimi di anno luce.
Il sistema 61 Cygni è eccezionalmente vicino. Le stelle più tipiche della Via Lattea si spostano di appena dieci millesimi di secondo d’arco, solo centesimi di pixel in una moderna fotocamera per telescopio. Il rilevamento del movimento richiede strumenti specializzati e ultra stabili. Gaia è stato progettato per lo scopo, ma quando iniziò a funzionare, il telescopio ha avuto un problema imprevisto.
Il telescopio funziona guardando in due direzioni contemporaneamente e monitorando le differenze angolari tra le stelle nei suoi due campi visivi, come ha spiegato Lennart Lindegren, che ha co-proposto la missione Gaia nel 1993 e ha guidato l’analisi dei suoi nuovi dati di parallasse. Stime accurate della parallasse richiedono che l’angolo tra i due campi visivi rimanga fisso.
All’inizio della missione Gaia, però, gli scienziati si accorsero che non era così. Il telescopio si flette leggermente mentre ruota rispetto al sole, introducendo un’oscillazione nelle sue misurazioni che imita la parallasse. Peggio ancora, questo “offset” di parallasse dipende in modi complicati dalla posizione, dai colori e dalla luminosità degli oggetti.
Tuttavia, man mano che i dati si sono accumulati, gli scienziati di Gaia hanno trovato più facile separare la falsa parallasse dal reale. Lindegren e colleghi sono riusciti a rimuovere gran parte dell’oscillazione del telescopio dai dati di parallasse appena rilasciati, mentre hanno anche ideato una formula che i ricercatori possono utilizzare per correggere le misurazioni finali di parallasse in base alla posizione, al colore e alla luminosità di una stella.
Salendo la scala
Con i nuovi dati in mano, Riess, Freedman e Madore e i loro team sono stati in grado di ricalcolare il tasso di espansione dell’universo. A grandi linee, il modo per valutare l’espansione cosmica è capire quanto sono lontane le galassie lontane e quanto velocemente si allontanano da noi. Le misurazioni della velocità sono semplici; le distanze sono difficili.
Le misurazioni più precise si basano su complesse “scale di distanza cosmica“. Il primo gradino è costituito da stelle dette “candele standard” dentro e intorno alla nostra galassia che hanno luminosità ben definite e che sono abbastanza vicine da mostrare parallasse – l’unico modo sicuro per dire quanto sono lontane le cose. Gli astronomi confrontano quindi la luminosità di queste candele standard con quella di quelle più deboli nelle galassie vicine per dedurre le loro distanze. Questo è il secondo gradino della scala. Conoscere le distanze di queste galassie, che vengono scelte perché contengono esplosioni stellari rare e luminose chiamate supernove di Tipo 1a, consente ai cosmologi di misurare le distanze relative delle galassie più lontane che contengono supernove di Tipo 1a più deboli. Il rapporto tra le velocità di queste galassie lontane e le loro distanze fornisce il tasso di espansione cosmica.
Le parallassi sono quindi cruciali per l’intera costruzione. “Si cambia il primo passo – le parallassi – poi cambia anche tutto ciò che segue“, ha detto Riess, che è uno dei leader dell’approccio della scala della distanza. “Se modifichi la precisione del primo passaggio, cambia anche la precisione di tutto il resto“.
Il team di Riess ha utilizzato le nuove parallassi calcolate da Gaia di 75 Cefeidi – stelle pulsanti che sono le candele standard preferite – per ricalibrare la loro misurazione del tasso di espansione cosmica.
“Il [nuovo rilascio di dati] di Gaia ci fornisce una base sicura“, ha affermato Madore. Sebbene nuovi articoli del team di Madore e Freedman non sono previsti ancora per alcune settimane, hanno notato che i nuovi dati di parallasse e la formula di correzione sembrano funzionare bene. Quando vengono utilizzati con vari metodi per tracciare e sezionare le misurazioni, i punti dati che rappresentano le Cefeidi e altre stelle speciali cadono ordinatamente lungo linee rette, con pochissima “dispersione” che indicherebbe un errore casuale.
“Questo ci dice che stiamo davvero guardando le cose reali“, ha detto Madore. https://www.quantamagazine.org/astronomers-get-their-wish-and-the-hubble-crisis-gets-worse-20201217/
